(57)【要約】本発明は、制御装置（２）により電気交流信号を電気化学エネルギー供給装置（１）に印可する方法に関する。当該方法において、結合コンデンサ（Ｃｋ）は、信号の印可の間、制御装置（２）とエネルギー供給装置（１）との間に直列に接続されている。前記方法は、ａ）エネルギー供給装置（１）に対する印可のため、印可される交流信号に対応する出力信号（Ｓout）を出力するステップであって、出力信号（Ｓout）は、制御装置（２）により設定される、印可される交流信号の少なくとも１つの設定値（Ｓset）に基づいて決定される、ステップと、ｂ）出力信号に対応しかつエネルギー供給装置に適用される実信号（Ｓact）を検出するステップと、ｃ）実信号（Ｓact）と印可される交流信号の設定値（Ｓset）とを比較するステップと、ｄ）印可される交流信号の設定値（Ｓset）と実信号（Ｓact）との偏差を最小限にするために、出力信号（Ｓout）を制御するステップと、を含む。前記ステップは、制御装置（２）により実行される。
2019502116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御装置（２）により電気交流信号を電気化学エネルギー供給装置（１）に印可するための方法であって、前記信号を印可する間、前記制御装置（２）と前記エネルギー供給装置（１）との間に結合コンデンサ（Ｃｋ）が直列に接続されており、
ａ）前記エネルギー供給装置（１）に対する印可のため、印可される交流信号に対応した出力信号（Ｓout）を出力するステップであって、前記出力信号（Ｓout）が前記制御装置（２）により設定された、前記印可される交流信号の少なくとも１つの設定値（Ｓset）に基づいて決定される、ステップと、
ｂ）前記出力信号に対応しかつ前記エネルギー供給装置に適用される実信号（Ｓact）を検出するステップと、
ｃ）前記実信号（Ｓact）と前記印可される交流信号の前記設定値（Ｓset）とを比較するステップと、
ｄ）前記印可される交流信号の前記設定値（Ｓset）と前記実信号（Ｓact）との偏差を最小限にするため、前記出力信号（Ｓout）を制御するステップと、
を含み、
前記ステップは前記制御装置（２）により実行される、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記エネルギー供給装置に印可される交流信号の前記設定値（Ｓset）は、電流信号に相当し、
前記エネルギー供給装置（１）に適用された前記実信号（Ｓact）は、印可された電流信号（Ｉact）の実値に相当している、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記エネルギー供給装置に印可される交流信号の前記設定値（Ｓset）は、電圧信号に相当し、
前記エネルギー供給装置に適用された前記実信号（Ｓact）は、印可された電圧信号（Ｕact）の実値に相当している、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記結合コンデンサ（Ｃｋ）の実電圧（ＵLoad）は、電圧差を判断するため、前記エネルギー供給装置（１）の実電圧（Ｕstack）と比較され、
ｉ）第１の既定値を超えている場合、中断状態への切り替えを行い、当該中断状態では、前記印可される交流信号の印可が中断され、前記結合コンデンサ（Ｃｋ）が、前記電圧差を減少させるため前記エネルギー供給装置（１）に並列に接続され、好ましくは前記結合コンデンサ（Ｃｋ）が並列接続されている間、抵抗器（ＲBalance）は、前記結合コンデンサ（Ｃｋ）における充電電流を制限するため前記結合コンデンサ（Ｃｋ）に直列に接続され、
ｉｉ）ポイントｉ）において、その後、第２の既定値以下になったときに信号印可状態への切り替えを行い、当該信号印可状態では、前記結合コンデンサ（Ｃｋ）が前記エネルギー供給装置（１）と直列に接続され、ステップａ）〜ｄ）により信号の印可が継続される、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記出力信号（Ｓout）は、最大電流値、好ましくは最大２Ａに制限されている、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記電流（Ｉact）及び前記エネルギー供給装置（１）における前記電圧（Ｕact）の特性が前記エネルギー供給装置（１）により測定され、
電流及び電圧の高調波成分を比較することにより、前記エネルギー供給装置（１）の前記動作状態が推定される、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
制御装置（２）により電気交流信号を電気化学エネルギー供給装置（１）に印可するための回路構成（３）であって、
前記エネルギー供給装置（１）に対する印可のため、印可される交流信号に対応した出力信号（Ｓout）を出力する制御装置（２）であって、前記出力信号（Ｓout）が前記制御装置（２）により設定された、前記印可される交流信号の少なくとも１つの設定値（Ｓset）に基づいて決定される、制御装置（２）と、
前記制御装置（２）の下流に位置し、少なくとも前記信号の印可の間は前記エネルギー供給装置（１）に直列に接続される少なくとも１つの結合コンデンサ（ＣＫ）と、
を備え、
前記制御装置（２）は、制御電力増幅器として構成されており、当該電力増幅器に対して、前記出力信号（Ｓout）に対応しかつ前記エネルギー供給装置（１）に適用される少なくとも１つの実信号（Ｓact）が前記信号の印可の間に返送され、
前記制御電力増幅器は、前記エネルギー供給装置（１）において適用された前記実信号（Ｓact）と前記印可される交流信号の前記設定値（Ｓset）とを比較するとともに、前記出力信号（Ｓout）を制御して印可される前記信号の前記設定値（Ｓset）と前記実信号（Ｓact）との偏差を最小限にするように設定される、ことを特徴とする回路構成（３）。
【請求項８】
前記エネルギー供給装置（１）に印可される交流信号の前記設定値（Ｓset）は、電流信号に相当し、
前記エネルギー供給装置に適用された前記実信号（Ｓact）は、印可された電流信号の実値（Ｉact）に相当している、ことを特徴とする請求項７に記載の回路構成（３）。
【請求項９】
前記エネルギー供給装置（１）に印可される交流信号の前記設定値（Ｓset）は、電圧信号に相当し、
前記エネルギー供給装置に適用された前記実信号（Ｓact）は、印可された電圧信号の実値（Ｕact）に相当している、ことを特徴とする請求項７又は８に記載の回路構成（３）。
【請求項１０】
前記制御電力増幅器は、前記電気交流信号を前記エネルギー供給装置（１）に供給するための信号出力部（Ａ１）を有し、
さらに、前記回路構成（３）は、前記制御電力増幅器の前記信号出力部（Ａ１）を前記エネルギー供給装置（１）に切り替え可能に接続するための切替装置（４）を備え、
前記切替装置（４）は、電圧差を検出するため、前記結合コンデンサ（Ｃｋ）の前記実電圧（ＵLoad）と前記エネルギー供給装置（１）の実電圧とを比較するように構成されており、
ｉ）第１の既定値を超えている場合、中断状態への切り替えを行い、当該中断状態では、前記印可される交流信号の印可が中断され、前記結合コンデンサ（Ｃｋ）が、前記電圧差を減少させるため、前記エネルギー供給装置（１）に並列に接続され、好ましくは前記結合コンデンサ（Ｃｋ）が並列接続されている間、前記結合コンデンサ（Ｃｋ）における前記充電電流を制限するため、抵抗器（ＲBalance）が前記結合コンデンサ（Ｃｋ）に直列に接続され、
ｉｉ）ポイントｉ）において、その後、第２の既定値以下になったときに信号印可状態への切り替えを行い、当該信号印可状態では、前記結合コンデンサ（Ｃｋ）は、前記信号の印可を継続するため、前記エネルギー供給装置（１）に直列に接続されている、ことを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の回路構成（３）。
【請求項１１】
少なくとも１つの第１のスイッチング素子（Ｓ１）は、前記信号出力部（Ａ１）と前記結合コンデンサ（Ｃｋ）との間に配設され、
さらに、前記結合コンデンサ（Ｃｋ）を並列に接続するため、前記エネルギー供給装置（１）に少なくとも１つの第２のスイッチング素子（Ｓ２）が設けられており、前記第２のスイッチング素子は、好ましくは充電電流を制限するため、前記抵抗器（ＲBalance）と直列に接続され、
前記切替装置（４）は、検出された電圧差に応じて前記第１のスイッチング素子（Ｓ１）を閉じ、前記第２のスイッチング素子（Ｓ２）を開くように構成されており、逆の場合も同じである、ことを特徴とする請求項１０に記載の回路構成（３）。
【請求項１２】
前記結合コンデンサ（Ｃｋ）と前記信号出力部（Ａ１）との間に補助コンデンサ（Ｃｈ）が配設されており、
前記結合コンデンサ（Ｃｋ）及び前記補助コンデンサ（Ｃｈ）は、単極コンデンサ、好ましくは電解コンデンサとして形成されているとともに、互いに反対の極性を有して前記エネルギー供給装置（１）に向けて直列に接続されており、
少なくとも１つのダイオード（Ｄ３，Ｄ４）は、極性反転を防止するため、２つの前記コンデンサと並列に接続されており、
前記第２のスイッチング素子（Ｓ２）は、前記コンデンサのに配置された分岐点（Ｐ２）において前記結合コンデンサ（Ｃｋ）に接続されている、ことを特徴とする請求項１１に記載の回路構成（３）。
【請求項１３】
前記制御電力増幅器は、クラスＤ電力増幅器として構成され、好ましくは、ＰＷＭ−変調信号を前記信号出力部（Ａ１）に出力するように設定されている、ことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の回路構成（３）。
【請求項１４】
前記制御電力増幅器は、前記信号出力部（Ａ１）を介して印可される前記電気交流信号を平滑化するため、前記信号出力部（Ａ１）に向けた再構成フィルタ（５）、特に低域フィルタ、特に好ましくはクラスＤ増幅器再構成フィルタを備える、ことを特徴とする請求項１３に記載の回路構成（３）。
【請求項１５】
電気化学エネルギー供給装置（１）と、請求項７〜１４のいずれかに記載の回路構成（３）と、を有し、前記電気化学エネルギー供給装置（１）に電気交流信号を印可するためのエネルギー変換システム。
【請求項１６】
前記電気化学エネルギー供給装置（１）は、燃料電池又はバッテリであり、特に、ニッケル金属水素化物電池又はリチウムイオン電池である、ことを特徴とする請求項１５に記載のエネルギー変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御装置により電気交流信号を電気化学エネルギー供給装置に印可する方法に関し、信号を印可する間に制御装置とエネルギー供給装置との間に結合コンデンサを直列に接続する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
さらに、本発明は、本発明による方法を有利に技術的に実現可能な回路構成に関する。この回路構成は、制御装置により電気交流信号を電気化学エネルギー供給装置に印可するための回路構成である。前記回路構成は、エネルギー供給装置に対する印可のため、印可される交流信号に対応する出力信号を出力する制御装置を有している。出力信号は、印可される交流信号の少なくとも１つの設定値に基づいて決定される。設定値は制御装置により設定される。さらに、回路構成は、少なくとも１つの結合コンデンサを有している。少なくとも１つの結合コンデンサは、制御装置の下流側に位置し、少なくとも信号を印可する間はエネルギー供給装置に直列に接続されている。さらに、本発明は、本発明に係る回路構成及び電気化学エネルギー供給装置を有するエネルギー変換システムに関している。以下の「電気化学エネルギー供給装置」という用語は、電気化学エネルギー貯蔵装置及びエネルギー変換装置に関するものである。これらの装置は、電気的な残留応力を有するとともに、負荷電流を供給する能力を備えている。そのようなエネルギー変換装置の電流−電圧特性は、多くの場合、少なくとも部分的に非線形である。
【０００３】
例えば、電圧及び／又は電流信号応答を測定することにより電気化学エネルギー供給装置の動作状態が推定される方法において、電気化学エネルギー供給装置に対する信号の印可が必要となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そのような方法は、例えば、欧州特許１６４６１０１Ｂ１公報により公知である。当該公報に開示された方法では、例えば、既定の低周波電流信号は、燃料電池スタックに印可され、燃料電池スタックにおいて測定された応答信号（通常は電圧信号）との比較、特に、前記２つの信号の高調波成分を比較することにより、燃料電池スタックにおける個々のセルの動作状態が推定される。通常、非線形の電流−電圧特性を有する燃料電池スタックにおいて、燃料電池スタックの動作状態は、印可された信号の高調波成分と、燃料電池スタックにおける非線形の挙動により歪んだ応答信号の高調波成分とを比較することによって推定される。
【０００５】
欧州特許１６４６１０１Ｂ１公報では、電流信号ｉ（ｔ）である出力信号は、燃料電池スタックにおいて印可される（欧州特許１６４６１０１Ｂ１公報の図１参照）。欧州特許１６４６１０１Ｂ１公報の図６に示された構成において、印可される信号ｉ（ｔ）の信号源と燃料電池との間の伝送路は非線形性と無関係であるため、欧州特許１６４６１０１Ｂ１公報では、出力信号ｉ（ｔ）は、燃料電池スタックに印可された信号に直接的に関連付けられる。したがって、欧州特許１６４６１０１Ｂ１公報に開示された単純な制御によって印可される信号の特定が行われる。出力信号が燃料電池スタックまでカバーする伝送路の非線形性は補償されない。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、前記問題を克服する方法であって、伝送路が非線形の伝送挙動を示すか否かに関わらず、印可される信号の実値（実信号）を印可される信号の設定値と確実に一致させる方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、本発明の方法により実現される。
前記方法は、
ａ）エネルギー供給装置に対する印可のため、印可される交流信号に対応した出力信号を出力するステップであって、出力信号が制御装置により設定された、印可される交流信号の少なくとも１つの設定値に基づいて決定される、ステップと、
ｂ）出力信号に対応し、かつエネルギー供給装置に適用される実信号を検出するステップと、
ｃ）実信号と印可される交流信号の設定値とを比較するステップと、
ｄ）印可される交流信号の設定値と実信号との偏差を最小限にするため出力信号を制御するステップと、
を含み、
前記ステップは制御装置により実行される。
【０００８】
本発明の方法により、エネルギー供給装置への伝送路が非線形の挙動を示す場合であっても、印可される交流信号の設定値と実信号との偏差を最小限にすることができる。好ましくは、印可される信号は、０．１Ｈｚ〜２０ｋＨｚ、特に１Ｈｚ〜２ｋＨｚの周波数成分を有する交流信号である。
【０００９】
特に、エネルギー供給装置に印可される交流信号の設定値は、電流信号に相当し、エネルギー供給装置に適用された実信号は、印可された電流信号の実値に相当している。このように、エネルギー供給装置（以下、「試験対象物」ともいう）に既定の電流プロファイルが印可され得る。制御部は電流制御部として構成されている。電流信号として印可される電流の特定あるいは対応する制御の提供は、エネルギー供給装置のインピーダンス変化、特にエネルギー供給装置の短絡の場合に印可電流が許容されないほど高くならないという利点を有している。
【００１０】
代替例では、エネルギー供給装置に印可される交流信号の設定値は、電圧信号に相当し、エネルギー供給装置に適用された実信号は、印可された電圧信号の実値に相当している。このように、電圧制御又は電圧印可が実行される。
【００１１】
さらに、電流制御と電圧制御との組み合わせ、すなわち、電圧及び／又は電流の信号又は値の特定を行うことができる。このように、インピーダンス、アドミタンス又は電力の制御を実行することができる。
【００１２】
さらに、結合コンデンサの実電圧は、電圧差を決定するため、エネルギー供給装置の実電圧と比較される。
ｉ）第１の既定値を超えたときに、中断状態への切り替えが行われる。中断状態では、印可される交流信号の印可が中断され、電圧差を減少させるために結合コンデンサがエネルギー供給装置と並列に接続される。好ましくは結合コンデンサの並列接続の間、抵抗器は、結合コンデンサにおける充電電流を制限するため、結合コンデンサと直列に接続される。
ｉｉ）ポイントｉ）において、その後、第２の既定値以下になったときに信号印可状態への切り替えが行われ、コンデンサがエネルギー供給装置と直列に接続され、ステップａ）〜ｄ）により信号の印可が継続される。
【００１３】
結合コンデンサとエネルギー供給装置との電圧差の測定、ポイントｉ）における結合コンデンサの結果に応じた充電、及びポイントｉｉ）におけるその後の直列接続により、例えばエネルギー供給装置の動作時に生じることがある電圧変動を検出して、コンデンサの電圧レベルを調節することが可能となるため、ポイントｉｉ）において信号の印可を継続することができる。第１の既定値を超えていない場合、信号の印可を継続することができる。第１の既定値を超えている場合、信号の印可が中断され、第２の既定値以下になるまで再開されない。第１の既定値は、通常、信号印可の供給電圧より僅かに低く、例えば、約５０Ｖの供給電圧の場合、３０〜４５Ｖ、好ましくは≦４０Ｖである。第２の既定値は、第１の既定値より低く、例えば、第１の既定値の２０％〜７０％である。例えば、第１の既定値が≦４０Ｖである場合、第２の既定値は≦１５Ｖである。
【００１４】
信号印可に許容されない高い電流が発生するのを回避するため、出力信号は、最大電流値、好ましくは最大２Ａに制限されている。
【００１５】
特に、エネルギー供給装置における電圧及び電流の特性は、エネルギー供給装置により測定され、電圧及び電流の高調波成分を比較することにより、エネルギー供給装置の動作状態が推定される。
【００１６】
電圧及び電流の高調波成分を比較することによりエネルギー供給装置の動作状態を推定する方法は、例えば、欧州特許１６４６１０１Ｂ１公報により公知になっている。当該方法は、「高調波解析（harmonic analysis）」及びＴＨＤＡ（「全高調波歪み解析（total harmonic distortion analysis）」）という用語を用いて説明されている。高調波解析により、非線形の電圧−電流特性を示す電気化学エネルギー供給装置の動作状態を検出可能であることが分かっている。しかし、電気化学エネルギー貯蔵／変換器の動作状態を検出するための高調波解析は、電気化学エネルギー供給装置における低歪み信号の印可を必要とする１つの例示的な方法に過ぎない。
【００１７】
前記目的は、本発明に係る前述した形式の回路構成のさらなる態様により実現される。前記回路構成において、本発明による制御装置は電力増幅器として構成され、信号を印可する間、出力信号に対応しかつエネルギー供給装置に適用される少なくとも１つの実信号を返送する。制御電力増幅器は、エネルギー供給装置に適用された実信号と印可される交流信号の設定値とを比較し、印可される信号の設定値と実信号との偏差を最小限にするように出力信号を制御する。印可される信号の設定値は、例えば、信号発生器により予め設定される。制御電力増幅器として制御装置を構成することにより、特に低歪み信号の印可が許容される。
【００１８】
本発明に係る前記方法と同様に、エネルギー供給装置に印可される交流信号の設定値は、電流信号に相当し、エネルギー供給装置に適用された実信号は、印可された電流信号の実値に相当している。このようにして、電流制御が行われる。
【００１９】
代替例では、エネルギー供給装置に印可される交流信号の設定値は、電圧信号に相当し、エネルギー供給装置に適用された実信号は、印可された電圧信号の実値に相当している。このようにして、電圧制御が行われる。
【００２０】
さらに、電流信号及び／又は電圧信号は予め規定される。このようにして、インピーダンス、アドミタンス又は電力の制御を実現することができる。
【００２１】
さらに、制御電力増幅器は、エネルギー供給装置に電気交流信号を供給する信号出力部を有している。さらに、回路構成は、制御電力増幅器の信号出力部をエネルギー供給装置に切り替え可能に接続する切替装置を有している。切替装置は、電圧差を検出するため、結合コンデンサの実電圧とエネルギー供給装置の実電圧とを比較するように構成されている。
ｉ）第１の既定値を超えている場合に中断状態への切り替えが行われる。中断状態では、印可される交流信号の印可が中断され、電圧差を減少させるために結合コンデンサがエネルギー供給装置に並列に接続される。好ましくは、結合コンデンサが並列接続されている間、結合コンデンサにおける充電電流を制限するため、抵抗器が結合コンデンサに直列に接続される。
ｉｉ）ポイントｉ）において、次いで第２の既定値以下になったときに信号印可状態への切り替えが行われる。この信号印可状態では、コンデンサがエネルギー供給装置と直列に接続され、信号の印可が継続される。
【００２２】
これにより、結合コンデンサが直列に接続されて、正確な符号が付加された場合にエネルギー供給装置と直列に接続された接続部の電圧が減算され、低電圧レベルの交流信号で交流信号の結合が生じる。特に好ましい実施例において、少なくとも１つの第１のスイッチング素子が信号出力部と結合コンデンサとの間に配設されている。さらに、エネルギー供給装置には、結合コンデンサの並列接続のための、少なくとも１つの第２のスイッチング素子が設けられている。第２のスイッチング素子は、好ましくは、充電電流を制限するため、抵抗器に直列に接続される。切替装置は、検出された電圧差に基づいて第１のスイッチング素子を閉じ、第２のスイッチング素子を開くように構成されている。また、逆の構成であってもよい。充電電流を制限する抵抗器は、オーム抵抗器として構成されており、第２のスイッチング素子の上流又は下流に配置される。
【００２３】
特に、結合コンデンサと信号出力部との間に、補助コンデンサが配設されている。結合コンデンサ及び補助コンデンサは、単極コンデンサとして、好ましくは電解コンデンサとして構成されており、互いに反対の極性を有して、エネルギー供給装置に向けて直列に接続されている。さらに、極性反転を防止するため、２つのコンデンサと並列に少なくとも１つのダイオードがそれぞれ接続されている。第２のスイッチング素子は、コンデンサの間に位置する分岐点において、結合コンデンサに接続されている。特に、単極コンデンサは、通常、所与の構成容積に対して二極コンデンサよりも著しく高いキャパシタンス値を有するため、このようにして、特にコンパクトな結合で印可される信号を結合することができる。コンデンサの抵抗値が低く（例えば、エネルギー供給装置の電圧が低いため）、コンデンサにおける電圧が符号を変え、コンデンサが熱的に破壊される状況を回避するため、特にショットキーダイオードとして構成される、並列に接続されたダイオードによってコンデンサは極性の反転から保護される。補助コンデンサは、制御装置の信号出力部と分岐点との間に配置されている。結合コンデンサは、分岐点とエネルギー供給装置との間に配置されている。補助コンデンサの電気的強度は、結合コンデンサの電気的強度の１／２０〜１／５、好ましくは１／１３〜１／８である。補助コンデンサの電気的強度は、特に、４０〜６０Ｖであり、結合コンデンサの電気的強度は、特に、４００〜６００Ｖである。原理上、補助コンデンサは省略可能である。しかし、補助コンデンサにより、試験対象物の電圧が信号印可の供給電圧より低い場合（例えば、５０Ｖ）であっても、結合コンデンサの極性を確実に反転することができる。補助コンデンサの均一な放出を可能にするため、好ましくは、オーム抵抗器が補助コンデンサに並列に接続される。信号を印可するため、第１のスイッチング素子を介したエネルギー供給装置と信号出力部との接続部を閉じる必要がある。これにより、エネルギー供給装置に向けた補助コンデンサ及び結合コンデンサの直列接続を介して、印可される交流信号が伝送される。例えば、電気自動車に電力を供給するために用いられる現在の電気化学エネルギー供給装置は、５００Ｖ以上の公称動作電圧を有する。動作電圧は、エネルギー供給装置（すなわち、エネルギー貯蔵装置又はエネルギー変換器）の動作状態に対する依存度が高く、公称電圧の５０％以上の変動を十分に示す。
【００２４】
特に、制御電力増幅器は、好ましくはＰＷＭ−変調信号を信号出力部に出力するように設定された、クラスＤ電力増幅器として構成されている。パルス幅変調信号は、例えば３００〜４００ｋＨｚのスイッチング周波数で、例えば最大±５０Ｖの信号レベルを有している。そのようなクラスＤ電力増幅器は、信号品質が非常に高く、これにより、低い高調波歪みで信号が印可される。好ましくは、制御電力増幅器は、費用効率及びエネルギー高率の高い信号の印可を実行するため、クロックド・ハーフブリッジ・トポロジ（クラスＤ増幅器）として構成されている。信号印可の電圧供給は、通常、（例えば、±２５Ｖ〜±５０Ｖに）制限されている。エネルギー供給装置の電圧が信号印可の供給電圧よりも低い場合、理論上は結合コンデンサを付加することなく信号の印可が可能である。
【００２５】
好ましくは、制御電力増幅器は、信号出力部を介して印可される電気交流信号を平滑化するため、信号出力部に向けた、特に低域フィルタ、特に好ましくはクラスＤ増幅器再構成フィルタを有している。
【００２６】
本発明のさらなる態様において、前記目的は、本発明に係る電気化学エネルギー供給装置及び回路構成を有する、電気化学エネルギー供給装置に電気交流信号を印可するためのエネルギー変換システムにより実現される。
【００２７】
電気化学エネルギー供給装置は、燃料電池又はバッテリであり、特に、ニッケル金属水素化物（ＮｉＭｈ）電池又はリチウムイオン電池である。燃料電池は、例えば、電解装置として動作してもよい。「燃料電池」とは、個々のセルと、複数のセルが直列に接続されてなる燃料電池スタックとの双方を意味する。同様に、バッテリは、単一のセルあるいは複数のセルを有する直列及び／又は並列回路から構成されていてもよい。電気化学エネルギー供給装置の残留応力は、通常、直流電圧である。
【００２８】
図３，４に示す、例示的であり非限定的な実施例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。図面は以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、従来のエネルギー供給装置に電気交流信号を供給するための回路構成を示す電気等価回路図である。
【図２】図２は、図１の回路の改良形態を示す電気等価回路図である。
【図３】図３は、本発明の実施例に係る電気等価回路図である。
【図４】図４は、図３の実施例の改良形態を詳細に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下の図面において、特に言及しない場合は、同一の符号は同一の要素を示すものとする。
【００３１】
図１は、従来のエネルギー供給装置に電気交流信号を供給するための回路構成を示す電気等価回路図である。最も単純な場合、電圧源Ｕｅは、交流信号を電気化学エネルギー供給装置１に印可する。エネルギー供給装置１は、通常、キャパシタンスＣｉ及び内部抵抗Ｒｉを有する。
【００３２】
エネルギー供給装置１を試験及び診断する公知の方法において（例えば、欧州特許１６４６１０１Ｂ１公報）、エネルギー供給装置１（以下、「試験対象物」とも言う）にテスト信号が適用（供給）され、対応する応答信号が測定され解析される。試験対象物の負荷信号（残留応力及び負荷電流）は、通常、所定の時間に亘って実質的に一定であるとみなすことができるので（「ＤＣ」＝直流＝直流信号）、負荷信号を試験信号及び応答信号の周期的な交流信号（「ＡＣ」＝交流電流）から識別及び区別することができる。
【００３３】
例えば、５００Ｖ以上の直流残留応力Ｕstack及び約０．０１オームの内部抵抗Ｒｉを有する図１に示す構成において、例えば２Ａの交流電流をエネルギー供給装置１に印可するために、Ｕｅ＝ＩＡＣ×Ｒｉ（例えば、２Ａ×０．０１Ω＝０．０２ＶＡＣ）の交流電圧を生成する必要がある。この交流電圧を５００Ｖの直流残留応力に重畳しなければならない。図１の対応する装置におけるそのような試験信号の生成は、通常、設備の複雑性が高くなるとともに、対応するコストが増加する。これは、高い電圧、電流及び電力のための相対的に高価な回路成分が要求され、当該回路成分を種々の事象（過負荷、負荷変動、緊急時の負荷制限など）に対して慎重に保護しなければならないためである。
【００３４】
図２は、結合コンデンサＣｋが設けられた、図１の回路の改良形態を示す電気等価回路図である。この構成は、原則として、欧州特許１６４６１０１Ｂ１公報により公知になった回路に対応している。欧州特許１６４６１０１Ｂ１公報は、印可回路とエネルギー供給装置１との間に接続され、直流信号から交流信号を分離するための結合コンデンサＣｋを利用することを提案している。しかし、妥当な電圧レベルでの低周波交流信号の印可を許容するため、高い直流スタック電圧Ｕstackまで充電される結合コンデンサＣｋは、非常に大きな、例えば０．０１Ｆのキャパシタンスを有する必要がある。例えば、信号印可のための回路構成の供給電圧は、例えば１Ｈｚの低周波数で、例えば２Ａ（Ｕ＝Ｉ×Ｘｃ＝Ｉ×１／（ωＣ）＝２×１／（２×π×０．０１）＝３２Ｖ）の試験電流を印可するため、３２Ｖを超える電圧である必要がある。印可される試験電流は、欧州特許１６４６１０１Ｂ１公報による回路において簡易な制御により予め決定される。印可回路からエネルギー供給装置への伝送路が非線形の挙動を有する場合、印可される信号は、伝送路に沿って影響を受けて変更される。
【００３５】
図３は、本発明の実施例に係る電気等価回路図を示している。本実施例によれば、伝送路の非線形の挙動を補償することができるとともに、出力信号Ｓoutを制御することにより、印可される交流信号の設定値Ｓsetと実信号Ｓactとの偏差を最小限にすることができる。図３は、本発明に係る、制御装置２により電気交流信号を電気化学エネルギー供給装置１に印可するための回路構成３を示している。回路構成３は、印可される交流信号に対応した出力信号Ｓoutを出力する制御装置２と、制御装置２の下流側に設けられた少なくとも１つの結合コンデンサＣｋと、を有している。出力信号Ｓoutは、制御装置２により設定された、印可される交流信号の少なくとも１つの設定値Ｓsetに基づいて決定される（本実施例において、設定値Ｓsetは、信号発生器の出力信号Ｕsetにより予め設定されている）。結合コンデンサＣｋは、信号を印可する間、エネルギー供給装置１に直列に接続されている。制御装置２は、制御電力増幅器として構成されている。この増幅器に対して、信号を印可する間に、出力信号Ｓoutに対応し、かつエネルギー供給装置１に適用される少なくとも１つの実信号Ｓactが返送される。制御電力増幅器は、エネルギー供給装置１に適用された実信号Ｓactと印可される交流信号の設定値Ｓsetとを比較するとともに、出力信号Ｓoutを制御して印可される信号の設定値Ｓsetと実信号Ｓactとの偏差を最小限にするように設定される。
【００３６】
特に、制御装置２又は電力増幅器は、電気交流信号をエネルギー供給装置１に供給するための信号出力部Ａ１を有している。さらに、回路構成３は、制御電力増幅器の信号出力部Ａ１をエネルギー供給装置１に切り替え可能に接続するための切替装置４を有している。切替装置４は、電圧差を検出するため、結合コンデンサＣｋの実電圧ＵLoadとエネルギー供給装置１の実電圧Ｕstackとを比較するように設定されている。ｉ）第１の既定値を超えている場合、中断状態への切り替えを行う。この中断状態では、印可される交流信号の印可が中断され、結合コンデンサＣｋが電圧差を減少させるためにエネルギー供給装置１に並列に接続される。好ましくは結合コンデンサＣｋが並列接続される間、抵抗器ＲBalanceは、結合コンデンサＣｋにおける充電電流を制限するため、結合コンデンサＣｋに直列に接続される。ｉｉ）ポイントｉ）において、その後、第２の既定値以下になったときに信号印可状態に切り替えられる。信号印可状態では、結合コンデンサＣｋは、信号の印可を継続するため、エネルギー供給装置１に直列に接続される。
【００３７】
このため、本実施例では、信号出力部Ａ１と結合コンデンサＣｋとの間に少なくとも１つの第１のスイッチング素子Ｓ１が配設されている。さらに、結合コンデンサＣｋとエネルギー供給装置１とを並列に接続するため、少なくとも１つの第２のスイッチング素子Ｓ２が配設されている。切替装置４は、検出された電圧差に応じて第１のスイッチング素子１を閉じるともに、第２のスイッチング素子２を開くように設定されている（設定が逆であってもよい）。電圧差の検出及びスイッチング素子１，２の制御は、例えばコンパレータＣＯＭＰを介して実行される。コンパレータＣＯＭＰは切替装置４の一部として構成されてもよい。
【００３８】
出力信号Ｓoutを平滑化するため、好ましくは、制御電力増幅器は、信号出力部Ａ１に向けた、再構成フィルタ５、特に低域フィルタ、特に好ましくは、クラスＤ増幅器再構成フィルタを有する。前記フィルタを通して出力信号Ｓoutが信号出力部Ａ１に伝送される。
【００３９】
前述のように、低周波数信号（例えば、１Ｈｚ）を供給するため、容量の大きい結合コンデンサＣｋが３０〜５０Ｖの範囲の電圧で２Ａ程度の電流をエネルギー供給装置１に印可するために要求される。例えば５００Ｖの高動作電圧用の大型の結合コンデンサは、通常、単極電解コンデンサとして利用される。前記コンデンサは、通常、十分な線形挙動を示すが、適切な極性でのみ動作する。したがって、結合コンデンサＣｋにおける差動電圧の符号は、常に同じでなければならない。この動作状態は、電気化学エネルギー供給装置１又は試験対象物（例えば、５００Ｖ）の残留応力Ｕstackが、印可される交流信号の最大電圧（例えば、最大５０Ｖ）よりも常に高い場合に実現される。
【００４０】
しかし、試験対象物の残留応力が相対的に低く（例えば僅か５Ｖ）かつ、対応する高試験電圧（例えば、５０Ｖ）及び低試験周波数（例えば、１Ｈｚ）で要求された高試験電流（例えば、２Ａ）を発生させるために、０．０１Ｆの容量を有する結合コンデンサを制御しなければならない場合には、結合コンデンサＣｋとしての電解コンデンサの動作条件を満たしていない。したがって、コンデンサの破壊を招き、安全性のリスク（火災の危険性など）を伴うこととなる。上記用途に応じるため、図４に開示した回路の改良形態である本発明に係る適切な回路を提案する。この回路は、単極コンデンサとして構成された結合コンデンサＣｋを有している。この回路では、結合コンデンサＣｋが保護される。
【００４１】
図４は、図３の実施例に係る回路の改良形態を詳細に示している。この構成では、結合コンデンサＣｋと信号出力部Ａ１との間に補助コンデンサＣｈが配設されている。結合コンデンサＣｋ及び補助コンデンサＣｈは、単極コンデンサとして、好ましくは電解コンデンサとして形成されている。２つのコンデンサＣｈ，Ｃｋは、互いに反対の極性を有してエネルギー供給装置１に向けて直列に接続されている。少なくとも１つのダイオード、本実施例では、極性反転を防止するため、２つのコンデンサ各々と並列にショットキーダイオードＤ３，Ｄ４が接続されている。第２のスイッチング素子Ｓ２は、コンデンサの間に位置する分岐点Ｐ２において結合コンデンサＣｋに接続されている。補助コンデンサＣｈにおける低速の放出を許容するため、例えば６００〜１０００オーム程度の抵抗値を有する抵抗器Ｒ−Ｂ５０（５０Ｖの電気的強度を有する）が補助コンデンサＣｈに並列に接続されている。この抵抗器は、補助コンデンサＣｈと常に並列に接続されて、放出を行う。これにより、さらなるスイッチを設ける必要がなくなる。補助コンデンサＣｈは、回路構成３の最大供給電圧（例えば、５０Ｖ）だけに曝されるため、補助コンデンサＣｈは、結合コンデンサＣｈと比べて著しく低い電気的強度を有していてもよい（例えば、補助コンデンサの電気的強度を５０Ｖとし、結合コンデンサの電気的強度は例えば５００Ｖとする）。電気的強度の低い補助コンデンサＣｈを設けることにより、回路構成３の空間要求に対するコストを削減することができる。例えば、結合コンデンサＣｋにおける充電電流を５００Ｖの電圧で最大２Ａに制限するため、抵抗器ＲBalanceは５００Ｖの電気的強度及び約２２０〜２５０オームを有していてもよい。
【００４２】
コンパレータＣＯＭＰは、好ましくは、点Ｐ３における電圧をモニタするように設定されたウインドウコンパレータＷ−ＣＯＭＰ１である。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、コンパレータＣＯＭＰにより制御される。第１の既定値を超えたとき、第１のスイッチング素子Ｓ１を開き、第２のスイッチング素子Ｓ２を閉じることにより、中断状態への切り替えが行われる。電圧差が所定値以下となるまで、結合コンデンサＣｋは、試験対象物により負荷が加えられる。その後、第２のスイッチング素子２を開き、第１のスイッチング素子１を閉じて信号の印可が継続される。この手順により、結合コンデンサＣｋの電圧が可変の試験電圧に追従することができる。
【００４３】
図４に示した改良形態は、非線形の伝送挙動を示し、伝送される信号に歪みを生じさせる（波形、高調波歪み、高調波）。特に、（例えば、欧州特許１６４６１０１Ｂ１公報による）印可された試験信号に対する、試験対象物における応答信号により生じる高調波成分、高調波歪み又はＴＨＤ（＝全高調波歪み）の解析において、テスト信号の実際の特性と、所望とするテスト信号の特性、例えば、高い高調波歪みとの偏差が大きい場合、特に不安定なものとなる。しかし、そのような伝送路の非理想的な挙動は、本発明による前述の制御により無効化される。これにより、高調波歪み、高調波成分などの特性の偏差が極めて小さくなり、試験対象物の応答信号が解析されて、所望とするテスト信号の特性に対して診断的評価が行われる。
【００４４】
有利には、電力増幅器として、安価なクラスＤ増幅器（スイッチング増幅器）を用いてもよく、この増幅器及び出力信号はオーディオアプリケーションに用いられ、相対的に高いスイッチング周波数をブロックするために通常必要な再構成フィルタ（Ｌ，Ｃ，Ｒ）及びＦＥＴパワースイッチが制御される。この場合及び電源電子機器のスイッチングのためにクロック周波数（例えば、３００ｋＨｚ）を生成するため、通常、自励発振器として構成され、電圧制御のための制御回路との組み合わせで任意的に動作するさらなる制御回路を使用してもよい。この場合、繊細な電源電子機器を保護するために、増幅器モジュールに既に実装されているセキュリティ対策が特に有利であることが分かっている。図３において、コンデンサＣ−ＩＮは交流結合を示し、交流信号が信号発生器によって印可される。
【００４５】
また、本発明は、制御装置２により電気交流信号を電気化学エネルギー供給装置１に印可する方法に関している。当該方法において、結合コンデンサＣｋは、信号を印可する間、制御装置２とエネルギー供給装置１との間に直列に接続されている。前記方法は、ａ）エネルギー供給装置１に対する印可のため、印可される交流信号に対応する出力信号Ｓoutを出力するステップであって、出力信号Ｓoutは、制御装置２により設定される、印可される交流信号の少なくとも１つの設定値Ｓsetに基づいて決定される、ステップと、ｂ）出力信号に対応しかつ、エネルギー供給装置１に適用される実信号Ｓactを検出するステップと、ｃ）実信号Ｓactと印可される交流信号の設定値Ｓsetとを比較するステップと、ｄ）印可される交流信号の設定値Ｓsetと実信号Ｓactとの偏差を最小限にするため、出力信号Ｓoutを制御するステップと、を含む。前記ステップは、制御装置２により実行される。
【００４６】
本発明の他の態様は、電気化学エネルギー供給装置１及び回路構成３を有するエネルギー変換システムに関する。
【００４７】
上記の教示を考慮することにより、当業者であれば、本発明の図示せぬ他の実施例に想到することができるであろう。したがって、本発明は、上記の実施例に限定されるものではない。また、本発明の態様又は実施例を個々に実施してもよいし、組み合わせて実施してもよい。上記説明を認識し当業者が種々の方法で実施することが可能な本発明の根底にある着想は本質的なものであり、そのまま維持される。
【図１】
2019502116.tif 000003
【図２】
2019502116.tif 000004
【図３】
2019502116.tif 000005
【図４】
2019502116.tif 000006
【国際調査報告】
2019502116.tif 000007
2019502116.tif 000008
2019502116.tif 000009
2019502116.tif 000010